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两轮自平衡移动机器人系统设计

姜涛  
【摘要】:两轮自平衡移动机器人具有两个同轴且独立驱动的轮子,能够自动完成姿态平衡,转弯半径小,甚至可以原地转弯和任意转向,运动轨迹比传统的多轮机器人和履带式机器人更为灵活,而且克服了多轮系统结构复杂的缺点,使其适用于面积狭小的复杂场合。两轮自平衡移动机器人是一种难得的承载平台,对于人类生活、工业生产、科学研究都具有重要价值。本文根据两轮自平衡移动机器人的结构特点和运动特性,建立了基于倒立摆的力学模型,并对其进行理论分析,通过分析传递函数的零极点分布,进而得到系统平衡的条件,并提出控制方案。利用陀螺仪和加速度计采集系统的加速度和角速度,但这些参数受到多种不确定性的影响,所以并不准确,本文通过数据融合滤波为系统模型提供更准确、更平滑的姿态信息。为使系统模型平衡,还加入了反馈控制,通过合适的PID算法来实现系统自动平衡运动。本文通过仿真,证实了卡尔曼滤波不但能及时反应当前机器人的倾角变化,而且输出的数据曲线更加平滑,利用卡尔曼滤波可以为自平衡系统模型提供更准确的姿态信息。本文利用设计的硬件电路和软件程序,对融合滤波模块、PID控制模块等进行总装验证,通过对PID的调试,双轮自平衡系统可以实现直立运动平衡,运动中转弯等功能,且运行平稳,实现了预期的设计效果。


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